基于系统生物学的薯蓣属药用植物亲缘关系研究

我国薯蓣属药用植物具有重要药用价值，如穿龙薯蓣Dioscorea nipponica 和黄山药 D. pantaica等是合成激素药物（地奥心血康）的重要原料；薯蓣D. opposite则既是常用中药山药，又可食用。目前该属植物资源有如下问题：（1）部分植物资源开始濒危，需要进行替代资源寻找、种质资源保护、优良种质培育和栽培；（2）该属植物显示了一定的形态和化学成分相关性，如根状茎组多含有甾体皂苷，地下茎横向生长；周生翅组不含甾体皂苷，地下茎直立生长。这些需要通过大分子化学等手段进一步发现其内在亲缘相关性；（3）该属药用植物虽然都在一个属，但其功效差异很大，作用物质基础缺乏系统研究；（4）该属部分药用植物应用混乱。亲缘关系研究是解决上述问题的基础，系统生物学是研究亲缘关系的先进手段。因此，本项目将以薯蓣属根状茎组和周生翅组药用植物为核心，采用系统生物学技术深入研究其亲缘关系，具有重要意义。

摘要：我国薯蓣属药用植物具有重要药用价值，如穿龙薯蓣Dioscorea nipponica等是合成激素药物（地奥心血康）的重要原料；薯蓣D. opposite则既是常用中药又可食用。目前该属植物资源有如下问题：（1）部分植物资源开始濒危；（2）该属植物需要通过大分子化学等手段进一步发现其内在亲缘相关性；（3）该属药用植物作用物质基础缺乏系统研究；（4）该属部分药用植物应用混乱。本项目采用系统生物学技术深入研究其亲缘关系，从薯蓣属样品的收集、淀粉大分子亲缘关系、植物化学成分亲缘关系以及DNA分子亲缘关系四个方面进行了详细的研究。首先在全国收集了该属三十多种药材。而后对周生翅组植物淀粉进行了研究发现日本薯蓣、参薯等淀粉呈现B型晶体结构，而道地山药为C型晶体结构，山药的混伪品与道地产区山药明显分开；对薯蓣属根状茎组、丁字形毛组、基生翅组、复叶组15种药用植物大分子成分—淀粉进行比较，分组分析与形态学亲缘关系结果一致。对薯蓣属植物进行化学成分分离，得到80个化合物，并鉴定了其中61个，并进行植物化学成分亲缘关系分析，发现（1）山萆薢为根状茎组中比较进化的物种；（2）根状茎组的柴黄姜、吊罗薯蓣、异叶薯蓣等8种植物聚为一类，有相似的次生代谢途径；（3）周生翅组中薯蓣、褐苞薯蓣等亲缘关系较近，可做为山药资源的多糖组，大青薯和薯莨距离较近，为有其他特征成分的非多糖组；（4）丁字形毛组的甘薯和顶生翅组的毛胶薯蓣距离接近。根据RAPD分析发现复叶组与根状茎组亲缘关系较近，而顶生翅组与周生翅组关系较近。薯蓣属植物经过DNA条形码matK序列测序分析，能迅速有效的分别出山药药材的混伪品，并得到的薯蓣属植物亲缘关系图谱，说明根茎组在薯蓣属植物系统中处于原始发生的位置，而后是复叶组、基生翅组、丁字形毛组、顶生翅组、最后是周生翅组；而在psbA-trnH系统发育图中，起始点的位置上的是复叶组而非根状茎组，这为薯蓣属植物系统发育研究又提出了一些争议。同时为薯蓣属植物中现存的一些争议提供分类学的证据，如我们更倾向于马肠薯蓣应该留在根状茎组；白薯莨与复叶组植物归在一类；高山薯蓣与毛芋头薯蓣容易混乱，研究发现有可能是原变种的关系。以上基于系统生物学理念，采用多元统计的数学方法通过计算机运算后，获得该属药用植物亲缘关系的信息，为该属药用植物的分类和亲缘关系的完善提供了重要理论依据。